유기활물질을 이용한 비수계 레독스 흐름전지 특성

Abstract

본 연구에서는 레독스 흐름전지의 에너지 밀도 및 효율을 개선하기 위한 방법으로 비수계 레독스 활물질에 대한 연구를 진행하였다. 비수계 레독스 활물질로 TEMPO 및 quinone계열의 산화환원이 가능한 물질을 선정하여 다양한 작용기 도입함에 따라 레독스 흐름전지의 전위에 미치는 영향을 Cyclic voltammetry(CV) 측정을 통해 알아보았다. CV 측정결과 양극 및 음극 활물질 모두 0.2 M의 농도에서 확연히 구분된 산화환원 봉우리가 관찰되었으며, 전기화학적으로 반응성이 높다는 것을 확인하였다. 그중에서도 가역적인 산화환원 반응을 보이는 양극활물질 4-Oxo-TEMPO의 경우 0.80 V의 높은 평균 전위 값을 나타내었으며, 음극 활물질인 (1S)-(+)-Camphorquinone의 경우 –1.32 V의 낮은 평균전위를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 수계 전해질인 바나듐의 경우 1.26 V의 낮은 개방회로전압을 갖는 반면에 유기 활물질인 4-Oxo-TEMPO와 (1S)-(+)-Camphorquinone의 경우 2.12 V의 높은 개방회로 전압을 가지는 것을 확인하였다. 또한 단위전지 셀을 이용하여 유기활물질에 대한 충방전 특성 평가를 진행하였다. 상한전압 2.75 V 하한전압 1 V에서 충방전이 이루어졌으며, 음이온교환막을 적용한 결과 전류밀도 1 mA cm-2에서 전류효율 63%, 에너지효율 45.6% 그리고 전압효율 72.4%를 나타내었고 그 이상의 전류밀도에서는 충방전이 이루어지지 않았다. 전유기계 활물질의 성능을 향상하기 위해 양이온교환막을 TEA+ 폼으로 개질하였고, 이온교환막의 개질이 비수계 레독스 흐름전지의 성능향상에 미치는 영향에 대해서 전기화학특성평가를 진행하였다. 그 결과 P200 이온교환막을 적용하였을 때 전류밀도 3 mA cm-2에서 전류효율 84.0%, 에너지효율 62.7% 그리고 전압효율 74.6%의 결과를 보였고, 7 mA cm-2의 고전류밀도 에서 충방전이 이루어지는 것을 확인하였다. 이때 결과는 전류효율 78.0%, 에너지효율 51.7% 그리고 전압효율 66.3%의 충방전 성능을 나타내었다.| Redox flow battery(RFB) have received attention as a type of large-scale energy storage devices. The energy has stored by redox reaction between the redox active materials dissolved in liquid electrolytes. RFB is consists of electrode, electrolyte, membrane, etc. In this study, studied on the non-aqueous redox active material to improve the energy density and the efficiency of redox flow battery. From the screening test, optimum redox active material was decided. It was 4-Oxo-TEMPO and (1S)-(+)-Camphorquinone. It was evaluated cyclic voltammetry and charging-discharging cell test. They showed reversible reaction in non-aqueous electrolytes. The redox flow battery requires a membrane to avoid mixing of the anodic and cathodic electrolytes. The membrane should have a low resistance to minimize losses in voltage efficiency. By applying the modified TEA+ form membrane, we expected an effect of reducing resistance of the membrane. Consequently, The TEA+ form membrane exhibited low resistance, better ionic conductivities and appear to be suitable for non-aqueous electrolyte. In charging-discharging test, The RFB cell showed better performance with the TEA+ P200 membrane. Current and energy efficiencies of ~ 91% and ~ 73% were obtained at 3 mA cm-2; Redox flow battery(RFB) have received attention as a type of large-scale energy storage devices. The energy has stored by redox reaction between the redox active materials dissolved in liquid electrolytes. RFB is consists of electrode, electrolyte, membrane, etc. In this study, studied on the non-aqueous redox active material to improve the energy density and the efficiency of redox flow battery. From the screening test, optimum redox active material was decided. It was 4-Oxo-TEMPO and (1S)-(+)-Camphorquinone. It was evaluated cyclic voltammetry and charging-discharging cell test. They showed reversible reaction in non-aqueous electrolytes. The redox flow battery requires a membrane to avoid mixing of the anodic and cathodic electrolytes. The membrane should have a low resistance to minimize losses in voltage efficiency. By applying the modified TEA+ form membrane, we expected an effect of reducing resistance of the membrane. Consequently, The TEA+ form membrane exhibited low resistance, better ionic conductivities and appear to be suitable for non-aqueous electrolyte. In charging-discharging test, The RFB cell showed better performance with the TEA+ P200 membrane. Current and energy efficiencies of ~ 91% and ~ 73% were obtained at 3 mA cm-2